1、某 型 火 炮 预测 与 健 康 管理 技 术 (PHM) 体 系 结 构 设计 与 应 用 赵征凡 刘婧 波 黄萌 刘舜鑫 中 国 人民 解 放军 63961 部队 防 空 兵学 院 工业 和 信息 化 电 子第 五 研究 所 摘 要： 故障预测与健康管理 (PHM) 技术已在航空航天领域取得较为广泛的应用, 而在 地面装备领域鲜有应用, 为将故障预测与健康管理 (PHM) 技术从航空航天领域 推广到地面装备领域, 设计和构建了某型火炮的 PHM 体系结构;首先, 通过对比 和借鉴航空航天领域典型的 4 种PHM 体系结构 OSA-CBM 开放式体系结构、 集中式 体系结构、 分布式体系结构
2、、 分层融合式体系结构的特点, 结合地面装备作战特 点和实际工作环境, 设计并构建了适于地面装备的 PHM 体系结构;然后, 以地面 装备的PHM 构建思路为依托, 将PHM 体系应用到具体的某型火炮中, 设计出了基 于某型火炮的PHM 体系结构, 根据所构建PHM 体系结构, 详细描述了在火炮上的 应用情况;最后展望了 PHM 技术在地面装备领域的发展趋势和对国防工业发展的 借鉴意义。 关键词 ： PHM; 火炮; 结构体系; 地面装备; 作 者简 介： 赵征凡 (1982-) , 男, 陕西西安人, 博士, 工程师, 主要从事通用 质量特性工程方向的研究。 Design and Appli
3、cation of Prognostics and Health Management (PHM) for A Type of Gun Zhao Zhengfan Liu Jingbo Huang Meng Liu Shunxin 63961 Unit of the PLA; Air Defense Forces Academy; China CEPREI Laboratory; Abstract ： Prognostics and health management (PHM) technology has been widely used in the aerospace field, b
4、ut its application is still very few in the field of ground equipment.In order to promote the application of prognostics and health management technology in the field of ground equipment, the PHM system frame of a certain type gun is designed and constructed.Firstly, the four typical aerospace PHM a
5、rchitectures, OSA-CBM open architecture, centralized architecture, distributed architecture and hierarchical fusion architecture are compared and researched.Considered these characteristics and working environment, a suitable PHM system structure is proposed for ground equipment.Secondly, based on p
6、roposed the ground equipment PHM construction, the PHM system for a specific type gun is designed and its application in detail is described.Finally, the development trend of PHM technology in ground equipment and its future use in defense industry are prospected. Keyword ： prognostics and health ma
7、nagement (PHM) ; gun; system structure; ground equipment; 0 引言 故障预测与健康管理 (prognostics and health management, PHM) 技术对电子 系统和机械系统的监控技术, 在航空和航天领域已有成熟的理论和全面的应用, 在地面装备中还属于理论向工程化过渡的摸索期, 如何真正实现提前发现故障, 适时开展维修, 准确预测故障发生的时间和位置, 提高系统运行可靠性, 同时 记录分析系统的使用数据, 对整个系统进行 健康管理还有许多关键技术需要研 究和试验。 本文通过分析地面装备功能特点, 从地面装备对故障预
8、测和健康技术 的需求出发, 结合已有技术和理论研究基础, 借鉴航空以及其他领域先进经验, 论证地面装备开展 PHM 的必要性和可行性1 。 1 4 种典型PHM 体系 结构对比分析 目前比较通用的4 种典 型PHM 体系结构分别为OSA-CBM 开放式体系结 构, 集中式 体系结构, 分布式体系结构, 分层融合式体系结构。4 种体系结构各自有不同的适用范围, 各有特点。 地 面装备PHM 构建必须明确 4 种体系结构的特点, 结合地 面装备作战状况和运行环境, 吸收各自优点以建立更有效的 PHM 体系结构。 下面对这4 种典型 PHM 体系结构的特点进行对比分析。 OSA-CBM 开放式体系结
9、构是由美国 10 多个科研机构联合开发的 PHM 体系结构, 由波音公司牵头设计并推广。 目前该 PHM 体系结构已在航空, 船舶, 军事等领域 得到广泛的应用;集中式体系结构是一种适用于小型飞机的 PHM 体系结构, 其拥 有一个核心处理器, 通过核心故障控制处理器来完成各种任务的集中处理和集 中控制; 分布式体系结构是一种由多个控 制中心组成的分布式结构。根据不同的 单元分成各个子系统, 分别进行集中式控制;分层融合式体系结构融合了分布式 与集中式结构各自的优点, 可在子系统级与系统级两个层次间进行融合, 全面 利用冗余信息, 对于降低系统虚警的问题能够很好地解决2。 4 种体系结构各自特
10、点对比如表 1 所示。 表1 4 种典型 PHM 结构体系对比表 下载原表 2 地面装备PHM 系统 体系结构建立 地面装备与航空 电子设备既有相似点, 也存在不同点。 地面装备如装甲装备、 火 炮、 坦克等武器装备在机械结构方面与航空电子设备存在类似的体系结构, 可根 据其结构分为系统级与子系统级。 在 PHM 体系结构方面可大胆借鉴航空领域典型 PHM 系统。 地面装备与航空电子设备的不同点体现在其故障具有复杂性与不确定性等特点, 由于地面装备自动化程度低于航空电子设备, 人工干扰因素更大, 导致故障的 不确定性更大, 同时也为故障监测与诊断带来更大困难。 同时, 地面装备产品分 布广泛,
11、 维修与售后服务难以系统化管理3, 需要故障诊断能体现实时性的特 征, 并做出实时的预测与决策。 针对以上特点, 本文构建了地面装备 PHM 结构体系如图 1 所示。 地面装备PHM 体系特点: 1) 该 PHM 体系沿用了 OSA-CBM 开放式体系结构的顺序结构模式, 将信号处理, 状态监测, 故障预测, 推理决策等分成不同的模块, 同时每个模块与历史数据 库, 实时数据库, 关系数据库, 动态数据库相连接。 历史数据库将历史的故障信 息收集起来以实现对实时信号处理, 状态监测, 故障预测, 推理决策的帮助作 用;实时数据库 可将实时数据记录下来以供后续使用。关系数据库和动态数据库存储大量
12、知识, 方便各模块随时调用4-5。有效应对了地面装备结构复杂, 故 障不确定性大的特点。 2) 将地面装备按故障特征分为不同的子系统, 按分类不同安装不同类型的传感 器, 分类进行数据采集。 同时将机内自带测试系统所测数据直接导入到历史数据 库以方便对各模块提供数据信息。 每个子系统可完整实现从数据采集到推理决策 的全过程。实现了分布式进行的模式, 提高了故障预测与健康管理的效率。 3) 每个子系统故障预测所得结果最终由综合决策模块来通过故障危害分析表 (FMECA) , 数据库知识等来做出综合性决策, 提高了预测的准确性和决策的正 确性。 4) 设置用户层以方便人机交互和管理。 3 某型火炮
13、PHM 工程 应用 3.1 某型 火炮 PHM 系统体 系构 架的研 究 OSA-CBM 定义的标准PHM 系统体系结构对某型火炮PHM 系统架构的设计具有很好 的指导作用。 地面装备 PHM 系统架构很好地诠释了地面装备的健康管理系统应该 具备的基本的组成部分、各部分之间基本的关联关系以及系统功能等。 某型火炮结构复杂, 整体结构由多个子系统组合而成, 涉及到的零件级, 部件 级关键结构庞杂多样, 不同子系统因受载荷不同和工作环境的差异, 其故障模 式和复杂性不尽相同。 针对某型火炮结构特点, 设计PHM 体系结构需要考虑以下关键问题 1) 由于火炮作战和 运行时, 车身并不能一直平稳运行,
14、 且车载空间小, 因此, 车载监测设备应具备体积小, 稳定性强等特点7。由于车载空间受限, 因此有 必要将PHM 系统分为车载PHM 系统和车下PHM 系统, 车载PHM 系统应具备关键参 数的记录和信号提取能力;车下 PHM 系统则需利用复杂算法和先进设备进行综合 故障诊断和故障预测。 2) 火炮中各部件, 零件运行参数获取方式不同, 有些参数如应变、冲击等需要 在线获取, 有些结构参数是既可以在线获取也可以事后获取, 如对结构的损伤 而言, 既可以在线监测, 也可以待装备定期维修时采用便携式结构 PHM 系统进 行损伤诊断, 这主要取决于监测的结构部位的重要性。 3) 某型火炮 PHM 系
15、统应该具有层次化分布式8的特点。 每种结构参数对应的系 统应该能够利用已有的车载总线进行互联, 并且应该存在一个系统核心对多个 分系统进行管理和信息综合。 由此达到多种结构部位、 多种结构形式、 多种损伤 模式的综合健康监测与管理的功能要求。 图1 地面装备 PHM 结构体系图 下载原图 4) PHM 系统是一个不断完善和功能不断完备的系统, 随着各种新技术、新算法 的应用, 系统所需的各种资源也是不断更新和完善的, 因此某型火炮 PHM 系统 的架构应该能够使得系统具有良好的可扩展性9。 3.2 某型 火炮 PHM 系统体 系设 计 基于上述分析, 提出了一种分布式层次某型火炮PHM 系统整
16、体体系架 构, 如图2 所示。 图2 某型火炮 PHM 结构体系图 下载原图 从图2 可以看出, 某型火炮 PHM 系统由车载 PHM 系统和车下PHM 系统组成。 车载 PHM 系统由火炮子系统、 车载数据采集、 车载监测平台和车载健康评估系统组成。 车下PHM 系统由车下数据处理平台、 车下状态监测平台、 车下故障预测平台、 PHM 区域级管理器11、PHM 数据库、人机接口和维修管理中心组成。 其中, 车载 PHM 系统将整个火炮划分为多个子系统, 每个子系统对应一个完整 的PHM 成员级系统, 由于不同故障模式在监测和信号处理方面难度不同, 对于 简单的故障模式如温度, 压力等完全可以
17、利用成员级系统完整实现针对子系统 从数据采集、信号处理到状态监测、健康评估的全过程, 而对于如振动, 冲击, 磨损等故障的监测, 成员级系统只进行数据采集并传输到区域级 PHM 系统中。 对 于简单故障车载系统可进行初步的决策并传输到区域级管理器中做综合决策。 车下系统中, 数据处理平台、 状态监测平台和故障预测平台主要用于复杂故障数 据收集, 并利用先进算法对信号进行特征提取, 状态监测, 利用物理模型或专 家知识进行故障预测10, 推断故障发生时间, 并将所得结果传输至区域级管 理器中做综合决策; 区域级管理器负责接收来自车上和车下的信息来做综合的决 策, 区域级管理器采用类似推理机的设计
18、, 综合考虑各种因素, 做出最终决策。 首先, 区域级管理器将收集到的信息及推理结果发送至 PHM 数据库中以做信息 归档, 同时通过人机接口将指令发送至维修管理部门;PHM 数据库则作为一个知 识库的存在, 收集来自整个 PHM 系统中的数据信息和知识信息, 同时利用历史 数据库中的故障信息和知识 可以对当前故障监测与预测提供参考。 4 结束语 本文针对地面武器装备 PHM 体系尚未成熟的现状, 分析了航空领域已经运用的 相对成熟的4 种典型PHM 体系结构, 结合地面装备复杂性和不确定性等特点, 借 鉴航空航天领域先进经验, 设计出了一种面向地面装备的 PHM 体系结构, 并在 某型火炮上
19、具体应用, 实现了故障预测与健康管理的功能, 为PHM 在地面装备 领域推广提供了参考。 下一步工作中应当在具体框架下细化, 将重点放在子系统 级信号处理方法、 状态监测方法、 故障预测方法的实现方面, 从方法上落实 PHM 结构体系。 参考文献 1 张宝珍.国外综合诊 断、 预测与健康管理技术的发展及应用J.计算机测量与 控制, 2008, 16 (5) :591-594. 2 张亮, 张凤鸣, 李 俊涛, 等. 机载预测与健康管理 (PHM) 系统的体系结构 J. 空军 工程大学学报, 2008, 9 (2) :7-11. 3Wang P, Gachtsevanos V.Fault pro
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